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1、课程名称:_ 控制理论乙 _ 指导老师:_ 成绩:_ 实验名称：控制系统典型环节的模拟 实脸类型:_ 同纽学生姓名：一.实脸目的和要求（必填）。二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）0,000四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理。o O 六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1.熟悉超低频扫描示波器的使用方法 2.掌握用运放纽成控制系统典型环节的电子电路 3.测量典型环节的阶跃响应曲线 4.铜鼓哦是暗夜男了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响 二、实脸内容和原理 以运算放大器为核心元件，由其不同的RC输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如下
2、图所示。右图中可以得到：G(S)=d 由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应 1.积分环节 连接电路图如下图所示 和第一个实验相同，电源为峰峰值为30V的阶跃函数电源，运放为LM358型号运放。在这次实脸中，R2并不出现在电路中，所以我们可以同时调节R1的值和C的值来改变该传递函数的其他参量值。具体表 达式为：式中：T=RC 由表达式可以画出在阶跃函数的激励下，电路所出现的阶跃响应图像G(y)=Z2 石 R2 R=(&C 实脸要求积分环节的传递函数需要达到（1）q（s）=1（2）G.（5）=s 0.55 2.比例微分环节 连接电路因如下图所示 在该电路中，实验器材和
3、第一次实验与第二次实验不变，R2仍然固定为1M不改变。R1与C并联之后 与运算放大器的负端相连，R2接在运放的输出端和负输入端两端，是到了负反馈调节作用。具体表达式为:尺+1/Cs R 式中，K=A,T=RC&由表达式可以画出在阶跃函数的激励下，电路所出现的阶跃响应图像 实脸要求惯性环节的传递函数需要达到（1）q（s）=2+s（2）G2（S）=1+2S 3.惯性环节 填二实验内容和原理必填三主要仪器设备必填四操作方法和实验步骤五实验数据记录和处理六实验结果与分析必填七讨论心得一实验目的和要求熟悉超低频扫描示波器的使用方法掌握用运放纽成控制系统典型环节的电子电路测量典算放器为核心元件由其不同的输
4、入网络和反馈网络组成的各种典型环节如下图所示右图中可以得到由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应积分环节连接电路图如下图所示和第一个实验相同电源为变该传递函数的其他参量值具体表达式为由表达式可以画出在阶跃函数的激励下电路所出现的阶跃响应图像式中实脸要求积分环节的传递函数需要达到比例微分环节连接电路因如下图所示在该电路中实验器材和第一次实验与第二次连接电路图如图所示 填二实验内容和原理必填三主要仪器设备必填四操作方法和实验步骤五实验数据记录和处理六实验结果与分析必填七讨论心得一实验目的和要求熟悉超低频扫描示波器的使用方法掌握用运放纽成控制系统典型环节的电子电路测量典算
5、放器为核心元件由其不同的输入网络和反馈网络组成的各种典型环节如下图所示右图中可以得到由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应积分环节连接电路图如下图所示和第一个实验相同电源为变该传递函数的其他参量值具体表达式为由表达式可以画出在阶跃函数的激励下电路所出现的阶跃响应图像式中实脸要求积分环节的传递函数需要达到比例微分环节连接电路因如下图所示在该电路中实验器材和第一次实验与第二次 G.(5)=0.55+1 在该图中，电源由控制理论电子模拟箱中的阶跃响应电源来代替，电源的峰峰值为30V；在模拟电子箱 中，运算放大器采用LM358型号的运算放大器。在控制理论电子模拟箱中，R2是
6、一个固定值，固定为1M Q,所以我们可以调整R1和C来改变阶跃响应函数因像的其他参数。电阻R2和电容C并联接入在运放的 负输入端和输出端之间，是到了负反馈调节作用。具体导出式如下 RJCs 厶 他+l/Cs_/?2 _ K&7?i RCs+1 Ts+1 R 式中.K=W，T=R R-由表达式可以画出在阶跃函数的激励下，电路所出现的阶跃响应图像 三、主要仪器设备 1控制理论电子模拟实验箱一台 2 超低频慢扫描示波器一台 3万用表一只 四.操作方法和实验步骤 1.积分环节(1)按照电路原理图，将实际的电路图连接是来(2)根据实验要求的传递函数算出R与C的值。在实验1中,T=RC=1,所以取Ri=1
7、MQ,C=1 1 F：在实验2中，T=RC=05,所以取R1=1 MO,C=05uF(由两个1 nF的电容串联得到05 uF的电容)(3)舟示波器的两个表笔接入输出端和输入端(4)接通电源，按下按钮，观察在阶跃函数的直流电源激励下，输出端的阶跃响应。2.比例微分环节 按照电路原理图，将实际的电路图连接起来(2)根据实验要求的传递函数算出R-朗与C的值。由于R2固定为所以只能调整R(和C的值 填二实验内容和原理必填三主要仪器设备必填四操作方法和实验步骤五实验数据记录和处理六实验结果与分析必填七讨论心得一实验目的和要求熟悉超低频扫描示波器的使用方法掌握用运放纽成控制系统典型环节的电子电路测量典算放
8、器为核心元件由其不同的输入网络和反馈网络组成的各种典型环节如下图所示右图中可以得到由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应积分环节连接电路图如下图所示和第一个实验相同电源为变该传递函数的其他参量值具体表达式为由表达式可以画出在阶跃函数的激励下电路所出现的阶跃响应图像式中实脸要求积分环节的传递函数需要达到比例微分环节连接电路因如下图所示在该电路中实验器材和第一次实验与第二次来完成实验。在实验1+,K=2,T=1,所以取 RLO5,R2=0.5MQ,C=1/RF2 1 F(由两个1MQ并联起来得到0.5MQ的 电阻，由两个1 nF并联是来得到2 pF的电容)在实脸 2 中
9、，K=1,T=2,所以 RR2 二 1MQ,0=1 R F(3)将示波器的两个表笔接入输出端和输入端(4)接通电源，按下按钮，观察在阶跃函数的直流电源激励下，输出端的阶跃响应。3.惯性环节(1)按照电路原理图，将实际的电路图连接是来(2)根据实验要求的传递函数算出Rz R2与C的值。实验箱中电阻固定为1MQo 在实验 1 中，T=1,K=1,所以 RI=R2=1MQ,C=1 pF;在实验2中，T二0.5,K=1,所以Rt=R2=1MQ,C二O5|1F(由两个1 nF的电容串联得到05 F的电容)(3)將示波器的两个表笔接入输出端和输入端(4)接通电源，按下按钮，观察在阶跃函数的直流电源激励下，
10、输出端的阶跃响应。五、实验数据记录和处理 1.积分环节(1)(5)=-S 2.比例积分环节填二实验内容和原理必填三主要仪器设备必填四操作方法和实验步骤五实验数据记录和处理六实验结果与分析必填七讨论心得一实验目的和要求熟悉超低频扫描示波器的使用方法掌握用运放纽成控制系统典型环节的电子电路测量典算放器为核心元件由其不同的输入网络和反馈网络组成的各种典型环节如下图所示右图中可以得到由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应积分环节连接电路图如下图所示和第一个实验相同电源为变该传递函数的其他参量值具体表达式为由表达式可以画出在阶跃函数的激励下电路所出现的阶跃响应图像式中实脸要求
11、积分环节的传递函数需要达到比例微分环节连接电路因如下图所示在该电路中实验器材和第一次实验与第二次 (1)q(s)=2+s G2(S)=+2S 3.惯性环节(1)G(s)=-5+1 填二实验内容和原理必填三主要仪器设备必填四操作方法和实验步骤五实验数据记录和处理六实验结果与分析必填七讨论心得一实验目的和要求熟悉超低频扫描示波器的使用方法掌握用运放纽成控制系统典型环节的电子电路测量典算放器为核心元件由其不同的输入网络和反馈网络组成的各种典型环节如下图所示右图中可以得到由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应积分环节连接电路图如下图所示和第一个实验相同电源为变该传递函数的其
12、他参量值具体表达式为由表达式可以画出在阶跃函数的激励下电路所出现的阶跃响应图像式中实脸要求积分环节的传递函数需要达到比例微分环节连接电路因如下图所示在该电路中实验器材和第一次实验与第二次 G2(S)=l s 理论值：上升时间为15s,输出电压为15V。实际值:输出电压为1 4.2V,上升时间为13.Oso误差为9.0%与5.3%理论值：上升吋间为7.5s,输出电压为15V。实际值：输出电压为14.2V,上升时间为732s o误差为3.0%与5.3%(2)比例积分环节 q(s)=2+s 理论值：上升时间7 Oms,上升电压15V 实际值：上升吋间72Oms,上升电压1 4.8Vo误差为2.8%和
13、1.3札 G2(s)=l+2s G2(S)=1 0.55 0.55+1 六.实脸结果与分析 填二实验内容和原理必填三主要仪器设备必填四操作方法和实验步骤五实验数据记录和处理六实验结果与分析必填七讨论心得一实验目的和要求熟悉超低频扫描示波器的使用方法掌握用运放纽成控制系统典型环节的电子电路测量典算放器为核心元件由其不同的输入网络和反馈网络组成的各种典型环节如下图所示右图中可以得到由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应积分环节连接电路图如下图所示和第一个实验相同电源为变该传递函数的其他参量值具体表达式为由表达式可以画出在阶跃函数的激励下电路所出现的阶跃响应图像式中实脸要
14、求积分环节的传递函数需要达到比例微分环节连接电路因如下图所示在该电路中实验器材和第一次实验与第二次 G2(5)=0.55+1 理论值：上升时间140ms,上升电压15V 实际值：上升时间为132ms,上升电压为1 4.2 Vo误差为5.7%和5.3喘(3)惯性环节 G)=丄 5+1 理论值：时间常数为1s,上升时间为4s,上升电压1V 实际值：上升时间为302s,上升电压为1.OOVo 理论值：时间常数为0.5s,上升时间为2s,上升电压1V 实际值：上升吋间为1.38V,上升电压为1.OOVo 2.实验误差分析(1)运算放大器工作状态下并不是理想状态，导致实际值和理论值相差较多。(2)示波器
15、的读数时.釆用了光标测量的方法。用肉眼估计是否达到平衡值，造成了一定的误差。(3)惯性环节的误差比较大，可能是我们没有等到储能式电容全部将电董完全放出就开通了电源，继 续了下一步实验，导致上升时间和理论值相比，误差很大，甚至出现了差错。(4)积分环节和比例积分环节的上升电压均没有达到15V,原因可能是微小电流在较大电阻值上产生 了压降，从而使被测值与理论值存在误差。(5)比例积分环节的输出电压达到稳定之后，出现了一定范因内的波动，使得波形非常复杂。原因 可能是因为电容在不斷充电和放电的过程中，造成了一定范围內的阻尼震荡。3.实验思考题分析(1)用运放模拟典型环节时，其传递函数实在那两个假设条件
16、下近似导出的？答:假定运放具有理想的“虚短”和“虚断”特性；运放的静态董为零，输入董.输出量和反绩董都 可以用瞬吋值表示其动态变化。(2)积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件县，惯性环节可以近似地視为积分环节？在什 么条件下，又可以视为比例环节？答：惯性环节的特点是，当输入作阶跃变化时，输出信号不能立刻达到稳态值，稳态输出以指数规律变 化，而级分环节，当输入为单位阶跃信号的时候，输出为输入对时间的积分，输出信号随时间呈现直线增 长，当t越向于无穷大的时候，惯性环节可以近似的视为积分环节，当趋于0的时候，惯性环节可以近似 的视为比例环节。(3)如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环
17、节的时间常数？答：用示波器的“时标”幵关测出渡过时间t。由公式T二t/4计算时间常数。七、讨论、心得 1阶跃响应的输入不宜过大，否则会烧坏运算放大器。2.电容式储能元件，使用完之后一定要先对其进行放点处理，才能进行下一次实验。3波形观察末端会出现阻尼震荡，是电容充电和放电的时候出现的情况。4惯性环节的特点是，当输入x(t)作阶跃变化时候，输出y(t)不能立刻达到稳态值，瞬态输出以 指数规律变化。二积分环节，当输入为单位阶跃信号的额时候，输出为输入对时间的积分，输出波形随时 间呈现增长。5当t趋向于无穷大时(s趋近于0),惯性环节可以近似视为积分环节：当t趋近于0(s趋近于无 大)时，惯性环节课
18、近似视为比例环节。6 通过本次实验，将课上学过的理论分析和实验过程和结果分析紧密的结合在一起，在理解了怎样实 现积分环节、比例微分环节和惯性环节的电路的同时，也充分理解传递函数在电路系统的控制环节当中的 重要性。这次实验虽然很简单，但却对我们以后的控制理论实验打下了基铀。填二实验内容和原理必填三主要仪器设备必填四操作方法和实验步骤五实验数据记录和处理六实验结果与分析必填七讨论心得一实验目的和要求熟悉超低频扫描示波器的使用方法掌握用运放纽成控制系统典型环节的电子电路测量典算放器为核心元件由其不同的输入网络和反馈网络组成的各种典型环节如下图所示右图中可以得到由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应积分环节连接电路图如下图所示和第一个实验相同电源为变该传递函数的其他参量值具体表达式为由表达式可以画出在阶跃函数的激励下电路所出现的阶跃响应图像式中实脸要求积分环节的传递函数需要达到比例微分环节连接电路因如下图所示在该电路中实验器材和第一次实验与第二次